3D陶瓷在手机上的应用与趋势


一、什么是陶瓷

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料,其主要性能特点为:

力学性能:强度、硬度高而塑性、韧性差,表现为硬脆;

物理性能:热导率低,表现为散热差;

化学性能:耐腐蚀、化学性能稳定,表现为环境适应性强。

二、什么是3D陶瓷手机后壳

所谓陶瓷手机后壳就是用陶瓷材料制作的手机后壳,而3D是相对于2D和2.5D来说的,手机后壳必定都有一定的厚度,上下表面为一个平面且彼此平行的叫做2D,上下表面为一个平面,但是平面边缘处打磨出一个弧度,弧度从一个面过度到另一面的叫2.5D,而3D玻璃上下面不再是一个平面,通常是在边缘处有一个大的弧度,整体呈U型。

三、手机上为什么要用3D陶瓷后壳

为什么要用陶瓷材料做手机后壳?首先是陶瓷材质具有独特的优点,强度、硬度高表现为抗弯、耐刮花,而这些正是目前手机上所使用材料尤其是铝的痛点;其次是陶瓷材料经过表面处理后表现出的独特质感,手感细腻、温润如玉,表现出极高的品质感与美感。为什么要制作成3D的形式?首先是因为3D在视觉上相对于2D、2.5D更佳的美感和丰富度;其次是配合3D屏幕,使整个机身更加协调;另外,相对于方形的棱边,圆弧状也有更好的手握感。因此,在铝合金2D、2.5D手机后壳大行其道进而产生审美疲劳的时候,3D陶瓷手机后壳对手机设计师及消费者产生了强烈的吸引力。

四、现在为什么还没规模应用

既然3D陶瓷手机后壳如此有魅力,为什么现在市面上还未见规模使用,就连已经发布的小米5尊绝版也在实际中很少见到呢?这正反映出3D陶瓷手机后壳固然好,但是还存在不少问题正待解决,从个人理解来看,可以从3D陶瓷手机后壳技术本身及产品对技术的选择两个角度来分析。

1、3D陶瓷手机后壳技术本身

3D陶瓷基本加工工艺:原料→成型→排胶→烧结→加工→表处

3D陶瓷手机后壳基本上需要经过以上6个步骤才能加工制备出来,暂且不管具体的工艺参数,单从陶瓷材质的制备及性能特点上来分析:

(1)原料:陶瓷原料是在陶瓷粉料中加入热塑性树脂、热固性树脂,增塑剂和减摩剂,使陶瓷粉料成为粘性弹体,然后将加热混炼后的料浆从喷口射入金属模内,冷却固化即成。常用的热塑性树脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯,加入量为10-30%。这一技术很大程度地提高了形状复杂产品成形的精度和可靠性。

(2)注射成型

陶瓷的注塑成形原理和塑料的注塑成形基本相同。只是塑料内混合大量的陶瓷粉末。为了改进注塑成形条件,必须选择与使用原料匹配的有机材料,并要选定添加量。为了获得致密又均匀的注塑成形体,陶瓷粉末的浓度要高些。但过高将使成形性能变差。为改进混炼坯料的流动性,应降低分散剂高分子系的粘度。作为前处理很重要的是提高陶瓷粉末的分散性,为了提高高分子的流动性,需添加适当的增塑剂和润滑剂。陶瓷原料的粒度一般为1μm,加入粘结剂(或称为添加剂),经充分混合、搅拌。在搅拌过程中,陶瓷粉末被粘结剂润湿和包复,全部成为均匀的复合物才可进行注射成形。且需要冷却、干燥、粉碎后,才获得适合注射成形机漏斗进料的颗粒。

模具材料一般采用高洁度、耐磨性、耐腐蚀性均优良的合金钢。模具设计应当符合陶瓷高分子系统的流动特性。为了减少成形体的收缩,避免模具体内空气卷入成形体,因此模具要考虑控制放出口。此外,模具上应有冷却槽,可以冷却和加热,依靠温度调节器使模具温度保持恒定,对提高成形体的精度很有效。由于原料中要大量使用有机材料,为了不使毛坯产生热裂,不剩碳渣地进行脱脂也是一个重要课题。

(3)脱脂

本工序主要去除产品中混合的黏结剂。主要分三个阶段:

a.室温到200℃的低温段,主要是相对分子质量较小的组分,石蜡,硬脂酸的熔化分解;

b.200-400度的中温段,主要是相对分子质量较大的聚丙烯的氧化分解脱除;

c.400-600度的高温段,为少量残留黏结剂的完全脱除。脱脂阶段基本不会对产品尺寸产生变化。

(4)烧结

由于陶瓷粉末中混合是黏结剂,故产品在烧结后的尺寸会收缩,收缩率约为20%,具体依产品而视。烧结过程也易产生内应力,影响产品性能。

陶瓷是经过高温烧结而成,且一旦成为陶瓷,其性能特点为硬脆,要想将极为硬脆的材料再塑造成我们想要的3D手机后壳的形状,除了采用CNC将整块陶瓷掏成我们想要的形状外别无它法,因此只能在原材料还是软状态时就成型为目标形状,成型后再来进行烧结硬化,正是这种工艺特点,必然造成以下问题:

尺寸问题:成型时材料尚未固化,成型后再排胶、烧结,必然导致尺寸发生收缩变化,尺寸精度无法有效控制,无法满足产品要求,即便能满足要求,良率也会因此而降低;

气泡问题:排胶过程实质是陶瓷原材料中各种有机物的挥发,必然导致气泡的存在。

(5)加工、表处

崩裂问题:陶瓷材料为硬脆的材料,而不论加工还是表处中的打磨抛光,实质都是对局部位置材料的去除,除去加工刀具及研磨材料极易损耗外,硬脆的陶瓷结构在加工过程中也容易出现崩裂的现象,导致良率低、成本高;

表面质量问题:由于陶瓷烧结过程产生了气泡,在后续的加工及研磨工序中气泡有可能暴露出来,作为一级面的手机后壳是不允许这些气泡暴露的,结果就是表处良率低下;

2、产品对技术的选择

除了技术本身不存在问题外,产品在进行技术选择时非常关注以下的问题:

可靠性→良率→成本→技术成熟度→可供应性

(1)可靠性

陶瓷材料在制备成满足手机后壳的规格结构后,需要进行产品可靠性的测试,对于陶瓷材料来说,最严酷的测试莫过于机械可靠性测试中的滚筒跌落及定向跌落,目前一般要求组装成整机后,手机各结构件在经历滚筒1m*100次及1m*12次(6个面各两轮)这两项跌落测试中不发生断裂,而这两项测试正好戳中陶瓷材料脆的软肋,3D陶瓷手机后壳的机械可靠性堪忧;

(2)良率及成本

无论是烧结工序的尺寸变形还是加工表处工序中的崩裂及气泡暴露,都严重影响产品的良率,良率低下直接后果就是成本急剧上升,外加加工及表处中耗材贵且消耗快,导致产品成本不堪重负;

(3)技术成熟度

一个没有经过产品批量化生产验证的技术,到底还有多少问题目前虽然没有碰到、但是会不会在量产中暴露出来,如果冒险使用会不会导致产品无法及时交货?如果在这个点上产品觉得风险太大,必然不敢贸然使用,目前3D陶瓷手机后壳正面临这种情况;

(4)可供应性

手机一般来说都是大规模发货的产品,如果产品良率太低或者产业供应能力跟不上,必然导致产品无法及时发货,即便产能足够,在目前良率不高的情况下,各手机厂商必然会对3D陶瓷手机后壳大规模使用保持谨慎态度。

五、未来会不会规模应用

任何东西都存在优点和缺点,如果优点具有足够的吸引力,必然会吸引大量持续的精力投入去克服其缺点,一旦技术进步,缺点得以克服,大规模使用自然水到渠成,期待3D陶瓷手机后壳这一天尽快到来。

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